JP2000340795A - Semiconductor logic element and logic circuit using the same - Google Patents

Semiconductor logic element and logic circuit using the same

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JP2000340795A
JP2000340795A JP11146940A JP14694099A JP2000340795A JP 2000340795 A JP2000340795 A JP 2000340795A JP 11146940 A JP11146940 A JP 11146940A JP 14694099 A JP14694099 A JP 14694099A JP 2000340795 A JP2000340795 A JP 2000340795A
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JP
Japan
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gate
threshold value
input signal
semiconductor
logic element
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JP11146940A
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Japanese (ja)
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Yoshihiro Miyazawa
芳宏 宮沢
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Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the number of elements constituting a logic circuit and the area of the circuit by arranging first and second gate thresholds, such that a semiconductor logic element is turned on, when one of first and second input signals is high and turned off when both input signals are low. SOLUTION: A semiconductor logic element 1 has a second front-side gate electrode 7 formed at a location which is on a front-side gate insulating film 5 and which is counterposed to a second back-side gate electrode 5. While leaving a resist pattern used as an etching mask for the electrode 7 as is, the element 1 is implanted with ions, thereby doping prescribed impurities into a semiconductor active layer 4. Then, the element 1 is annealed for activation to form source/drain impurity regions 4a and 4b. It is arranged, such that the thresholds of the electrodes 5 and 7 allow the element 1 to be turned on, when one of first and second input signals is high, and to be turned off when both input signals are low.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、単一の素子でたと
えば論理和、論理積の演算が可能な半導体論理素子と、
これを用いた論理回路とに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor logic device capable of performing, for example, a logical sum or a logical product with a single device,
The present invention relates to a logic circuit using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、シングルゲート(single gate) M
OSFETにより、単位論理回路(論理ゲート回路)を
構成していた。
2. Description of the Related Art Conventionally, a single gate M
The unit logic circuit (logic gate circuit) is constituted by the OSFET.

【0003】たとえば、図11(B)に示すNORゲー
ト回路は、2つのシングルゲートPMOSトランジスタ
Mp1,Mp2と、2つのシングルゲートNMOSトラ
ンジスタMn1,Mn2とから構成されていた。つま
り、所定のバイアス電圧+VBの供給線にPMOSトラ
ンジスタMp1およびMp2が互いに直列接続され、P
MOSトランジスタMp2と接地電位との間に、NMO
SトランジスタMn1,Mn2が互いに並列に接続され
ている。PMOSトランジスタMp1とNMOSトラン
ジスタMn1のゲートが共通接続されて第1入力端子を
なし、PMOSトランジスタMp2とNMOSトランジ
スタMn2のゲートが共通接続されて第2入力端子をな
す。PMOSトランジスタMp2のドレインから出力が
取り出されている。
For example, the NOR gate circuit shown in FIG. 11B has two single-gate PMOS transistors Mp1 and Mp2 and two single-gate NMOS transistors Mn1 and Mn2. That is, the PMOS transistors Mp1 and Mp2 are connected in series to a predetermined bias voltage + VB supply line,
An NMO is connected between the MOS transistor Mp2 and the ground potential.
The S transistors Mn1 and Mn2 are connected in parallel with each other. The gates of the PMOS transistor Mp1 and the NMOS transistor Mn1 are commonly connected to form a first input terminal, and the gates of the PMOS transistor Mp2 and the NMOS transistor Mn2 are commonly connected to form a second input terminal. An output is taken from the drain of the PMOS transistor Mp2.

【0004】また、図12(B)に示すNANDゲート
回路は、2つのシングルゲートPMOSトランジスタM
p1,Mp2と、2つのシングルゲートNMOSトラン
ジスタMn1,Mn2とから構成されていた。つまり、
接地電位線にNMOSトランジスタMn2およびMn1
が互いに直列接続され、NMOSトランジスタMn1と
所定のバイアス電圧+VBの供給線との間に、PMOS
トランジスタMp1,Mp2が互いに並列に接続されて
いる。PMOSトランジスタMp1とNMOSトランジ
スタMn1のゲートが共通接続されて第1入力端子をな
し、PMOSトランジスタMp2とNMOSトランジス
タMn2のゲートが共通接続されて第2入力端子をな
す。NMOSトランジスタMn1のドレインから出力が
取り出されている。
A NAND gate circuit shown in FIG. 12B has two single gate PMOS transistors M.
p1 and Mp2 and two single-gate NMOS transistors Mn1 and Mn2. That is,
NMOS transistors Mn2 and Mn1 are connected to the ground potential line.
Are connected in series with each other, and a PMOS is connected between the NMOS transistor Mn1 and a supply line of a predetermined bias voltage + VB.
The transistors Mp1 and Mp2 are connected in parallel with each other. The gates of the PMOS transistor Mp1 and the NMOS transistor Mn1 are commonly connected to form a first input terminal, and the gates of the PMOS transistor Mp2 and the NMOS transistor Mn2 are commonly connected to form a second input terminal. An output is taken from the drain of the NMOS transistor Mn1.

【0005】ところで、いわゆるデュアルゲート(dual
gate) MOSトランジスタの一種として、支持基板に対
し絶縁層分離されたSOI(Silicon On Insulator,or,S
emiconductor On Insulator)層の厚さ方向両側にそれぞ
れゲート絶縁膜を介して2つのゲート電極を対向させた
構造の半導体素子が知られている。この半導体素子は、
絶縁層に埋め込まれた支持基板側のゲート電極(バック
ゲート)の電位に応じて、対向した表面側のゲート電極
(フロントゲート)のしきい値を変化できる可変しきい
値素子である。
Incidentally, a so-called dual gate (dual gate) is used.
gate) As a kind of MOS transistor, SOI (Silicon On Insulator, or, S
2. Description of the Related Art A semiconductor element having a structure in which two gate electrodes are opposed to each other on both sides in a thickness direction of a semiconductor (on insulator) layer via a gate insulating film is known. This semiconductor element
This is a variable threshold element that can change the threshold value of the gate electrode (front gate) on the opposed surface side according to the potential of the gate electrode (back gate) on the support substrate side embedded in the insulating layer.

【0006】この可変しきい値素子が論理回路に適用さ
れる場合、論理回路ブロックと電源電圧または接地電位
の供給線との間に挿入されて用いられることがある。こ
の場合、導通時にはしきい値を低くして電流駆動能力を
高め、非導通時にはしきい値を高くしてオフリーク電流
を低減できる高性能な電源供給用のスイッチング素子と
して用いられる。また、論理回路自体に用いられる場合
でも、図11(B)または図12(B)に示す個々のシ
ングルゲートMOSトランジスタを置き換えることによ
り、動作時の電流駆動能力の向上とカットオフ時のリー
ク電流低減との両立を図る目的で用いられていた。
When this variable threshold element is applied to a logic circuit, it may be used by being inserted between a logic circuit block and a power supply voltage or ground potential supply line. In this case, the switching element is used as a high-performance power supply switching element that can lower the threshold value during conduction to increase current driving capability and increase the threshold value during non-conduction to reduce off-leakage current. Further, even when used in the logic circuit itself, by replacing the individual single-gate MOS transistors shown in FIG. 11B or FIG. 12B, the current driving capability at the time of operation is improved and the leakage current at the time of cutoff is improved. It was used for the purpose of achieving a balance with reduction.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の可
変しきい値素子は、素子自体の性能が向上する利点はあ
るが、製造プロセスが複雑となることは避けられないこ
とから、論理回路に適用することへの利点が余り大きく
なかった。
However, although the conventional variable threshold element has the advantage of improving the performance of the element itself, it is inevitable that the manufacturing process becomes complicated. The benefits to applying were not too great.

【0008】本発明は、可変しきい値素子の新しい論理
回路への用い方を提案し、これにより、性能向上に加
え、論理回路の素子数の削減と回路面積の縮小を図るこ
とを目的とする。
An object of the present invention is to propose a method of using a variable threshold element in a new logic circuit, thereby improving the performance, reducing the number of elements of the logic circuit and reducing the circuit area. I do.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の観点に係
る半導体論理素子は、好適には、チャネル導電型がn型
の素子として論理和(OR)ゲート回路等に適用され
る。すなわち、基板に支持された半導体層と、当該半導
体層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子であって、第1入力信号が印加される上記
第1ゲートのしきい値および第2入力信号が印加される
上記第2ゲートのしきい値は、第1および第2入力信号
の少なくとも一方がハイレベルのときに当該半導体論理
素子が導通し双方の入力信号がローレベルのときに当該
半導体論理素子が非導通となるように、設定されてい
る。好適に、上記第1または第2ゲートの一方のしきい
値は、他方のゲートに入力される信号がローレベルをと
るときに電源電圧の1/3以下となるように、設定され
ている。
The semiconductor logic element according to the first aspect of the present invention is preferably applied to an OR (OR) gate circuit or the like as an element having an n-type channel conductivity type. That is, a semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and an insulating film on each side of the semiconductor layer located between the source and the drain in the thickness direction. A first and second gates formed through the first and second gates, the first and second gates being applied with a first input signal and the second input signal being applied with a threshold value of the first gate. The threshold value of the second gate is such that when at least one of the first and second input signals is at a high level, the semiconductor logic element is turned on and when both input signals are at a low level, the semiconductor logic element is turned off. It is set to be. Preferably, the threshold value of one of the first and second gates is set so as to be 1/3 or less of the power supply voltage when the signal input to the other gate takes a low level.

【0010】本発明の第2の観点に係る半導体論理素子
は、好適には、チャネル導電型がn型の素子として論理
積(AND)ゲート回路等に適用される。すなわち、基
板に支持された半導体層と、当該半導体層内に互いに離
れて形成されたソースおよびドレインと、当該ソースお
よびドレイン間に位置する半導体層部分の厚さ方向の両
側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成され互いに対向す
る第1および第2ゲートとを有する半導体論理素子であ
って、第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしき
い値および第2入力信号が印加される上記第2ゲートの
しきい値は、第1および第2入力信号の双方がハイレベ
ルのときに当該半導体論理素子が導通し少なくとも一方
の入力信号がローレベルのときに当該半導体論理素子が
非導通となるように、設定されている。好適に、上記第
2ゲートの電位が当該第2ゲートのしきい値以下のとき
に、上記第1ゲートのしきい値は第1入力信号のハイレ
ベルより高く、上記第2ゲートの電位が第2入力信号の
ハイレベルのときに、上記第1ゲートのしきい値は第1
入力信号のローレベルより高く、上記第1ゲートの電位
が第1入力信号のローレベルのときに、上記第2ゲート
のしきい値は第2入力信号のハイレベルより高く、上記
第1ゲートの電位が第1入力信号のハイレベルのとき
に、上記第2ゲートのしきい値は電源電圧の1/3以下
である。
The semiconductor logic element according to the second aspect of the present invention is preferably applied to an AND gate circuit or the like as an element having an n-type channel conductivity. That is, a semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and an insulating film on each side of the semiconductor layer located between the source and the drain in the thickness direction. A first and second gates formed through the first and second gates, the first and second gates being applied with a first input signal and the second input signal being applied with a threshold value of the first gate. The threshold value of the second gate is such that the semiconductor logic element becomes conductive when both the first and second input signals are at a high level, and becomes non-conductive when at least one input signal is at a low level. It is set to be. Preferably, when the potential of the second gate is equal to or lower than the threshold value of the second gate, the threshold value of the first gate is higher than the high level of the first input signal, and the potential of the second gate is higher than the high level of the first input signal. When the input signal is at a high level, the threshold value of the first gate is the first threshold value.
When the potential of the first gate is higher than the low level of the input signal and the potential of the first gate is the low level of the first input signal, the threshold value of the second gate is higher than the high level of the second input signal. When the potential is at the high level of the first input signal, the threshold value of the second gate is not more than 1/3 of the power supply voltage.

【0011】本発明の第3の観点に係る半導体論理素子
は、好適には、チャネル導電型がp型の素子として論理
和(OR)ゲート回路等に適用される。すなわち、基板
に支持された半導体層と、当該半導体層内に互いに離れ
て形成されたソースおよびドレインと、当該ソースおよ
びドレイン間に位置する半導体層部分の厚さ方向の両側
の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成され互いに対向する
第1および第2ゲートとを有する半導体論理素子であっ
て、第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしきい
値および第2入力信号が印加される上記第2ゲートのし
きい値は、第1および第2入力信号の少なくとも一方が
ローレベルのときに当該半導体論理素子が導通し双方の
入力信号がハイレベルのときに当該半導体論理素子が非
導通となるように、設定されている。好適に、上記第1
または第2ゲートの一方のしきい値は、他方のゲートに
入力される信号がハイレベルをとるときに電源電圧の1
/3以下となるように、設定されている。
The semiconductor logic device according to the third aspect of the present invention is preferably applied to a logical sum (OR) gate circuit or the like as a device having a p-type channel conductivity type. That is, a semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and an insulating film on each side of the semiconductor layer located between the source and the drain in the thickness direction. A first and second gates formed through the first and second gates, the first and second gates being applied with a first input signal and the second input signal being applied with a threshold value of the first gate. The threshold value of the second gate is such that when at least one of the first and second input signals is at a low level, the semiconductor logic element is turned on and when both input signals are at a high level, the semiconductor logic element is turned off. It is set to be. Preferably, the first
Alternatively, one threshold value of the second gate is set to 1 of the power supply voltage when a signal input to the other gate takes a high level.
/ 3 or less.

【0012】本発明の第4の観点に係る半導体論理素子
は、好適には、チャネル導電型がp型の素子として論理
積(AND)ゲート回路等に適用される。すなわち、基
板に支持された半導体層と、当該半導体層内に互いに離
れて形成されたソースおよびドレインと、当該ソースお
よびドレイン間に位置する半導体層部分の厚さ方向の両
側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成され互いに対向す
る第1および第2ゲートとを有する半導体論理素子であ
って、第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしき
い値および第2入力信号が印加される上記第2ゲートの
しきい値は、第1および第2入力信号の双方がローレベ
ルのときに当該半導体論理素子が導通し少なくとも一方
の入力信号がハイレベルのときに当該半導体論理素子が
非導通となるように、設定されている。好適に、上記第
2ゲートの電位が当該第2ゲートのしきい値以上のとき
に、上記第1ゲートのしきい値は第1入力信号のローレ
ベルより低く、上記第2ゲートの電位が第2入力信号の
ローレベルのときに、上記第1ゲートのしきい値は第1
入力信号のハイレベルより低く、上記第1ゲートの電位
が第1入力信号のハイレベルのときに、上記第2ゲート
のしきい値は第2入力信号のローレベルより低く、上記
第1ゲートの電位が第1入力信号のローレベルのとき
に、上記第2ゲートのしきい値は電源電圧の1/3より
高い。
The semiconductor logic device according to a fourth aspect of the present invention is preferably applied to a logical product (AND) gate circuit or the like as a device having a p-type channel conductivity type. That is, a semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and an insulating film on each side of the semiconductor layer located between the source and the drain in the thickness direction. A first and second gates formed via the first and second gates, wherein a threshold of the first gate to which a first input signal is applied and a second input signal are applied. The threshold value of the second gate is such that when both the first and second input signals are at a low level, the semiconductor logic element becomes conductive, and when at least one of the input signals is at a high level, the semiconductor logic element becomes non-conductive. It is set to be. Preferably, when the potential of the second gate is higher than or equal to the threshold of the second gate, the threshold of the first gate is lower than the low level of the first input signal, and the potential of the second gate is lower than the low level of the first input signal. When the input signal is at a low level, the threshold value of the first gate is the first threshold value.
When the potential of the first gate is lower than the high level of the input signal and the potential of the first gate is high, the threshold value of the second gate is lower than the low level of the second input signal. When the potential is at the low level of the first input signal, the threshold value of the second gate is higher than one third of the power supply voltage.

【0013】前記第1および第3の観点に係る半導体論
理素子では、前記第1および第2ゲートのしきい値が同
じになるように、また、双方のゲートに印加される入力
信号がともに不活性レベルのときのみ素子が導通しない
ように、構造パラメータが設定されている。したがっ
て、第1および第2ゲートを2入力としたORゲート回
路が単独の素子で構成できる。また、導通時にはしきい
値が低下して電流駆動能力が向上し、非導通時にはしき
い値が向上してオフリーク電流が低減される。
In the semiconductor logic device according to the first and third aspects, the threshold values of the first and second gates are the same, and the input signals applied to both gates are not equal. The structural parameters are set so that the element does not conduct only at the active level. Therefore, an OR gate circuit having two inputs of the first and second gates can be constituted by a single element. In addition, when conducting, the threshold value is reduced and the current driving capability is improved. When not conducting, the threshold value is improved and the off-leak current is reduced.

【0014】前記第2および第3に係る半導体論理素子
では、前記第1および第2ゲートのしきい値の変化幅が
異なり、また、片方のゲートに入力信号の活性レベルを
印加しただけでは素子が導通せず双方のゲートが活性レ
ベルのときのみ導通するように、構造パラメータが設定
されている。したがって、第1および第2ゲートを2入
力としたANDゲート回路が単独の素子で構成できる。
また、導通時にはしきい値が低下して電流駆動能力が向
上し、非導通時にはしきい値が向上してオフリーク電流
が低減される。
In the semiconductor logic elements according to the second and third aspects, the change widths of the threshold values of the first and second gates are different, and the element can be obtained only by applying the active level of the input signal to one of the gates. Are set to be non-conducting and conducting only when both gates are at the active level. Therefore, an AND gate circuit having two inputs of the first and second gates can be constituted by a single element.
In addition, when conducting, the threshold value is reduced and the current driving capability is improved. When not conducting, the threshold value is improved and the off-leak current is reduced.

【0015】本発明に係る論理回路は、基板に支持され
た半導体層と、当該半導体層内に互いに離れて形成され
たソースおよびドレインと、当該ソースおよびドレイン
間に位置する半導体層部分の厚さ方向の両側の面にそれ
ぞれ絶縁膜を介して形成され互いに対向する第1および
第2ゲートとを有する半導体論理素子を有し、上記半導
体論理素子の上記第1および第2ゲートがそれぞれ信号
入力端子に接続されている。好適に、上記半導体論理素
子は、前述した4つの観点の半導体論理素子の何れかで
ある。
A logic circuit according to the present invention includes a semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed in the semiconductor layer so as to be separated from each other, and a thickness of a semiconductor layer portion located between the source and the drain. A semiconductor logic element having first and second gates formed on both sides in the direction via an insulating film and facing each other, wherein the first and second gates of the semiconductor logic element are respectively signal input terminals. It is connected to the. Preferably, the semiconductor logic element is any of the semiconductor logic elements of the above four aspects.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態に係る
半導体論理素子の回路記号を示す図である。本実施形態
に係る半導体論理素子は、2つのゲートと、共通のソー
スおよびドレインとを有するデュアルゲート(dual gat
e) 型の絶縁ゲート電界効果トランジスタである。図1
(A),(C)に示す半導体論理素子NMOS1,NM
OS3は、チャネルの導電型がn型である。また、図1
(B),(D)に示す半導体論理素子PMOS2,PM
OS4は、チャネルの導電型がp型である。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit symbol of a semiconductor logic element according to an embodiment of the present invention. The semiconductor logic device according to the present embodiment has a dual gate (dual gate) having two gates and a common source and drain.
e) type insulated gate field effect transistor. FIG.
Semiconductor logic elements NMOS1 and NM shown in FIGS.
In OS3, the conductivity type of the channel is n-type. FIG.
Semiconductor logic elements PMOS2 and PM shown in (B) and (D)
In OS4, the conductivity type of the channel is p-type.

【0017】このうち図1(A),(B)に示す半導体
論理素子NMOS1,PMOS2はは、一方のゲートを
制御端子として使用した場合と、他方のゲートを制御端
子として使用した場合とで、しきい値およびその変化の
仕方が対称な特性を有し、以下、“対称型の論理素子”
という。本実施形態では、この対称型の論理素子1つで
論理和を演算するためのORゲートを構成する。
Of the semiconductor logic elements NMOS1 and PMOS2 shown in FIGS. 1A and 1B, one gate is used as a control terminal and the other is used as a control terminal. The threshold value and the manner of changing the threshold value have symmetrical characteristics.
That. In the present embodiment, one symmetrical logic element constitutes an OR gate for calculating a logical sum.

【0018】これに対し、図1(C),(D)に示す半
導体論理素子NMOS2,PMOS4は、一方のゲート
を制御端子として使用した場合と、他方のゲートを制御
端子として使用した場合とで、しきい値およびその変化
の仕方が非対称な特性を有し、以下、“非対称型の論理
素子”という。本実施形態では、詳細は後述するが、2
つのゲート電極と半導体活性層との間に介在するゲート
絶縁膜に膜厚差を設けることにより、この非対称性を実
現している。回路記号上、ゲート絶縁膜がより厚い側に
斜線を付けて対称型の論理素子と区別している。本実施
形態では、この非対称型の論理素子1つで論理積を演算
するためのANDゲートを構成する。
On the other hand, in the semiconductor logic elements NMOS2 and PMOS4 shown in FIGS. 1C and 1D, one gate is used as a control terminal and the other is used as a control terminal. , The threshold value and the manner of changing the threshold value have asymmetrical characteristics, and are hereinafter referred to as “asymmetrical logic element”. In the present embodiment, details will be described later, but 2
This asymmetry is realized by providing a thickness difference in the gate insulating film interposed between the two gate electrodes and the semiconductor active layer. In the circuit symbol, the thicker gate insulating film is hatched to distinguish it from a symmetrical logic element. In the present embodiment, an AND gate for calculating a logical product is constituted by one of the asymmetrical logic elements.

【0019】図2に、非対称型の論理素子を例として、
本実施形態に係る半導体論理素子の構造を断面図で示
す。図2に示す論理素子1において絶縁層2は、とくに
図示しないが、支持基板上に接着層を介して形成されて
いる。絶縁層2上に、裏面ゲート絶縁膜3を介して半導
体活性層4が形成されている。半導体活性層4は、たと
えば厚さが25nm程度の単結晶シリコンからなり、チ
ャネル導電型とは逆の導電型を有する不純物が比較的低
濃度に導入されている。絶縁層2内に、裏面ゲート電極
5が埋め込まれている。また、半導体活性層4の表面側
に、表面ゲート絶縁膜6を介して表面ゲート電極7が形
成されている。裏面ゲート電極5および表面ゲート電極
7は、たとえばドープド・ポリシリコン(doped polycry
stalline silicon) またはドープド・メタルシリサイド
(doped metal silicide)からなり、半導体活性層4およ
びゲート絶縁膜3,6を介して互いに対向している。ゲ
ート絶縁膜3,6は、たとえば酸化シリコンまたは窒化
酸化シリコンからなる。裏面ゲート絶縁膜3の膜厚はた
とえば10nm程度、表面ゲート絶縁膜6の膜厚はたと
えば5nm程度である。
FIG. 2 shows an asymmetrical logic element as an example.
The structure of the semiconductor logic element according to the present embodiment is shown in a sectional view. In the logic element 1 shown in FIG. 2, the insulating layer 2 is formed on a support substrate via an adhesive layer, not particularly shown. A semiconductor active layer 4 is formed on the insulating layer 2 with a back gate insulating film 3 interposed. Semiconductor active layer 4 is made of, for example, single-crystal silicon having a thickness of about 25 nm, and has an impurity having a conductivity type opposite to the channel conductivity type introduced at a relatively low concentration. The back surface gate electrode 5 is embedded in the insulating layer 2. A surface gate electrode 7 is formed on the surface of the semiconductor active layer 4 with a surface gate insulating film 6 interposed therebetween. The back gate electrode 5 and the front gate electrode 7 are made of, for example, doped polysilicon (doped polysilicon).
stalline silicon) or doped metal silicide
(doped metal silicide) and face each other via the semiconductor active layer 4 and the gate insulating films 3 and 6. Gate insulating films 3 and 6 are made of, for example, silicon oxide or silicon nitride oxide. The thickness of the back gate insulating film 3 is, for example, about 10 nm, and the thickness of the front gate insulating film 6 is, for example, about 5 nm.

【0020】ゲート電極5,7より外側の半導体活性層
部分に、チャネルと同じ導電型の不純物が比較的に高濃
度に導入され、これによりソース不純物領域4aおよび
ドレイン不純物領域4bが形成されている。これらソー
ス・ドレイン不純物領域4a,4bから、それぞれ図示
しない導電層によってソース端子またはドレイン端子が
素子外面に引き出されている。また、裏面ゲート電極5
から第2入力信号端子が、表面ゲート電極7から第1信
号入力端子がそれぞれ素子外面に引き出されている。
Impurities of the same conductivity type as the channel are introduced at a relatively high concentration into the semiconductor active layer outside the gate electrodes 5 and 7, thereby forming a source impurity region 4a and a drain impurity region 4b. . From the source / drain impurity regions 4a and 4b, a source terminal or a drain terminal is led out to the element outer surface by a conductive layer (not shown). Also, the back gate electrode 5
, And a first signal input terminal from the surface gate electrode 7 are respectively drawn to the outer surface of the device.

【0021】図3〜図9は、半導体論理素子の製造過程
における断面図である。図3において、たとえば単結晶
シリコンウエハ等からなる被研磨基板10を用意し、そ
の上にレジストパターンR1を形成して、これをマスク
に被研磨基板10の表面をエッチング(たとえばRIE
(Reactive Ion Etching))することによって、後で半導
体活性層となる凸部10aを形成する。凸部10aの段
差は、たとえば25nm程度とする。
3 to 9 are cross-sectional views of a semiconductor logic element in a manufacturing process. In FIG. 3, a substrate 10 to be polished made of, for example, a single crystal silicon wafer or the like is prepared, a resist pattern R1 is formed thereon, and the surface of substrate 10 to be polished is etched using this as a mask (eg, RIE).
(Reactive Ion Etching)), thereby forming a convex portion 10a to be a semiconductor active layer later. The step of the projection 10a is, for example, about 25 nm.

【0022】レジストパターンR1を除去後、図4にお
いて、たとえば、熱酸化法によって、被研磨基板10の
凸部10aが形成された面の表面に酸化シリコンからな
る裏面ゲート絶縁膜3を10nmほど形成する。この熱
酸化は、たとえば、常圧の縦型酸化炉を用い、導入ガス
2 :O2 =1:1、炉内温度950℃の条件にて行
う。
After the resist pattern R1 is removed, a back gate insulating film 3 made of silicon oxide is formed to a thickness of about 10 nm on the surface of the substrate 10 to be polished, on which the projections 10a are formed, for example, by thermal oxidation as shown in FIG. I do. This thermal oxidation is performed, for example, using a vertical oxidation furnace at normal pressure, under the conditions of an introduced gas H 2 : O 2 = 1: 1 and a furnace temperature of 950 ° C.

【0023】図5において、たとえば、裏面ゲート電極
となるドープド・ポリシリコンまたはドープド・タング
ステンシリサイド(doped WSiX )を150nmほど
堆積する。この裏面ゲート電極となる膜の上に図示しな
いレジストパターンを形成し、これをマスクに下地膜を
エッチング(たとえばRIE)する。これにより、被研
磨基板10の凸部10a上に、裏面ゲート絶縁膜3を介
して裏面ゲート電極5が形成される。
In FIG. 5, for example, doped polysilicon or doped tungsten silicide (doped WSi x ) serving as a back gate electrode is deposited to a thickness of about 150 nm. A resist pattern (not shown) is formed on the film serving as the back gate electrode, and the underlying film is etched (eg, RIE) using the resist pattern as a mask. As a result, the back gate electrode 5 is formed on the projection 10 a of the substrate 10 to be polished via the back gate insulating film 3.

【0024】図6において、たとえば、酸化シリコンか
らなる絶縁層2を比較的厚く堆積して、裏面ゲート電極
5を絶縁層中に埋め込む。また、絶縁層2上に、たとえ
ば、ポリシリコンを堆積し、表面を研磨することにより
接着層11を形成する。
In FIG. 6, for example, insulating layer 2 made of silicon oxide is deposited relatively thickly, and back gate electrode 5 is embedded in the insulating layer. Further, for example, polysilicon is deposited on the insulating layer 2 and the surface is polished to form the adhesive layer 11.

【0025】図7において、たとえば、接着層11の平
坦化面側から被研磨基板10を、予め用意したシリコン
ウエハなどからなる支持基板20と張り合わせ、熱処理
する。このときの熱処理は、たとえば、酸素雰囲気中の
電気炉内で1100℃、60minの条件にて行う。
In FIG. 7, for example, the substrate 10 to be polished is bonded to a support substrate 20 made of a silicon wafer or the like prepared from the flattened surface side of the adhesive layer 11 and heat-treated. The heat treatment at this time is performed, for example, in an electric furnace in an oxygen atmosphere at 1100 ° C. for 60 minutes.

【0026】このようにして形成した張り合わせSOI
基板に対し、エッジ・グラインディング(edge grindin
g) を行った後、さらに被研磨基板10の裏面側から研
削し、研磨(たとえばCMP(Chemical Mechanical Pol
ishing) する。CMPでは、被研磨基板10の凸部10
a間に裏面ゲート絶縁膜3が表出した時点で、これがス
トッパとして機能する。したがって、以後は余り研磨が
進まないことになり、研磨の終点が検出される。この選
択研磨によって被研磨基板10の凸部10aが互いに分
離される。その後、この分離された凸部10aに対し、
所定の不純物を、たとえばイオン注入法により必要量導
入する。PMOSトランジスタとNMOSトランジスタ
が混在する場合には、このときレジストパターン形成と
イオン注入を2度繰り返すことによって、異なるイオン
種の打ち分けを行う。その後の活性化アニーリングによ
って、図8に示すように、半導体活性層4が形成され
る。
The bonded SOI thus formed
Edge grindin
g), grinding is performed from the back side of the substrate 10 to be polished, and polishing (for example, CMP (Chemical Mechanical Polling)) is performed.
ishing). In the CMP, the convex portions 10 of the substrate 10 to be polished are
When the back gate insulating film 3 is exposed between “a”, this functions as a stopper. Therefore, the polishing does not proceed much thereafter, and the end point of the polishing is detected. The convex portions 10a of the substrate 10 to be polished are separated from each other by this selective polishing. Then, for the separated convex portion 10a,
A predetermined impurity is introduced in a required amount by, for example, an ion implantation method. In the case where the PMOS transistor and the NMOS transistor coexist, the formation of the resist pattern and the ion implantation are repeated twice to separate different ion species. By the subsequent activation annealing, a semiconductor active layer 4 is formed as shown in FIG.

【0027】図9において、たとえば半導体活性層4の
表面を熱酸化して、厚さ5nmほどの表面ゲート絶縁膜
6を形成する。表面ゲート絶縁膜6上に、表面ゲート電
極となるドープド・ポリシリコンまたはドープド・タン
グステンシリサイドを150nmほど堆積する。この表
面ゲート電極となる膜の上に図示しないレジストパター
ンを形成し、これをマスクに下地膜をエッチング(たと
えばRIE)する。これにより、表面ゲート絶縁膜6上
の裏面ゲート電極5と対向する位置に表面ゲート電極7
が形成される。
In FIG. 9, for example, the surface of semiconductor active layer 4 is thermally oxidized to form surface gate insulating film 6 having a thickness of about 5 nm. On the surface gate insulating film 6, doped polysilicon or doped tungsten silicide serving as a surface gate electrode is deposited to a thickness of about 150 nm. A resist pattern (not shown) is formed on the film serving as the surface gate electrode, and the underlying film is etched (eg, RIE) using the resist pattern as a mask. As a result, the front gate electrode 7 is located on the front gate insulating film 6 at a position facing the back gate electrode 5.
Is formed.

【0028】その後は、表面ゲート電極のエッチングマ
スクとして用いたレジストパターンを残したままイオン
注入を行って、所定の不純物を半導体活性層4内に導入
した後、活性化アニールを行って、図1に示すソース・
ドレイン不純物領域4a,4bを形成する。また、図示
しない保護酸化膜をたとえば500nmほど堆積し、電
極引き出しのための導電層を適宜形成して、これにより
当該半導体論理素子1を完成させる。
Thereafter, ion implantation is carried out while leaving the resist pattern used as an etching mask for the surface gate electrode, a predetermined impurity is introduced into the semiconductor active layer 4, and activation annealing is carried out. The source shown in
Drain impurity regions 4a and 4b are formed. In addition, a protective oxide film (not shown) is deposited to a thickness of, for example, about 500 nm, and a conductive layer for extracting an electrode is appropriately formed, whereby the semiconductor logic element 1 is completed.

【0029】なお、本発明は図10に断面構造の一例を
示すような、裏面ゲートをいわゆるバルク型とした半導
体素子にも適用可能である。すなわち、図10において
は、半導体基板30とpn接合分離されたウエル31を
基板表面に設け、ウエル31上に電極32をオーミック
接触させ、電極32に印加される入力信号の電圧値に応
じて、表面ゲート電極7を制御電極とするトランジスタ
のしきい値を制御する。また、図2のSOI型の分離構
造において、ソース・ドレイン不純物領域4a,4bを
半導体活性層4の表面から厚さ途中まで形成し、絶縁層
内に埋め込まれた裏面ゲート電極に代えて半導体活性層
4上に電極をオーミック接触させ、この電極を第2の信
号入力電極として用いてもよい。
The present invention can also be applied to a semiconductor device having a so-called bulk type back gate as shown in FIG. That is, in FIG. 10, a well 31 separated from the semiconductor substrate 30 by a pn junction is provided on the substrate surface, an electrode 32 is brought into ohmic contact with the well 31, and according to the voltage value of an input signal applied to the electrode 32, The threshold value of a transistor having the surface gate electrode 7 as a control electrode is controlled. Further, in the SOI type isolation structure of FIG. 2, the source / drain impurity regions 4a and 4b are formed from the surface of the semiconductor active layer 4 to the middle of the thickness, and the semiconductor active layer is replaced with the back gate electrode embedded in the insulating layer. An electrode may be brought into ohmic contact with the layer 4 and this electrode may be used as a second signal input electrode.

【0030】ところが、これらオーミック接触型の制御
電極では無効電流が流れて電力消費が大きくなり、また
チャネル制御性も劣ることから、第2の信号入力電極と
しては図2のような絶縁ゲート型の裏面ゲート電極5が
望ましい。また、絶縁ゲート型の裏面ゲート電極5であ
っても、半導体活性層厚などの素子パラメータによって
は部分空乏型も可能であるが、チャネルを直接、電界制
御可能で制御性が高い点で半導体活性層の厚さ全域を空
乏化して動作させる完全空乏型が望ましい。
However, in these ohmic contact type control electrodes, a reactive current flows and power consumption increases, and channel controllability is poor. Therefore, an insulated gate type control electrode as shown in FIG. The back gate electrode 5 is desirable. Although the insulated gate back gate electrode 5 can be partially depleted depending on device parameters such as the thickness of the semiconductor active layer, the semiconductor active layer is directly controlled by an electric field and has high controllability. A fully depleted type that operates by depleting the entire layer thickness is desirable.

【0031】つぎに、完全空乏型の論理素子を例とし
て、しきい値など設定条件について説明する。完全空乏
型のデュアルゲートMOSFETのしきい値は、次式
(1)および(2)で表される。
Next, a setting condition such as a threshold value will be described by taking a fully depleted type logic element as an example. The threshold value of the fully depleted dual gate MOSFET is expressed by the following equations (1) and (2).

【0032】[0032]

【数1】 (Equation 1)

【数2】 (Equation 2)

【0033】ここで、φs とφsbはシリコン活性層(半
導体活性層4)の表面ポテンシャルと裏面ポテンシャ
ル、VFBとVFBb はシリコン活性層の表面と裏面のフラ
ットバンド電圧、Cox, Coxb,Csiはそれぞれ表面ゲー
ト, 裏面ゲートまたはシリコン活性層の容量、Tox, T
oxb,Tsiはそれぞれ表面ゲート酸化膜(表面ゲート絶縁
膜6), 裏面ゲート酸化膜(裏面ゲート絶縁膜3),シ
リコン活性層の膜厚、Qsiはシリコン活性層内の不純物
量、Vg とVgbは表面ゲート電極と裏面ゲート電極の印
加電圧、VthとVthb は表面チャネルMOSFETと裏
面チャネルMOSFETのしきい値をそれぞれ示す。
Here, φs and φsb are the surface potential and the back surface potential of the silicon active layer (semiconductor active layer 4), VFB and VFBb are the flat band voltages of the front and back surfaces of the silicon active layer, and Cox, Coxb, and Csi are the front surfaces, respectively. Gate, back gate or capacitance of silicon active layer, Tox, T
oxb and Tsi are the surface gate oxide film (front gate insulating film 6), the back gate oxide film (back gate insulating film 3), the thickness of the silicon active layer, Qsi is the impurity amount in the silicon active layer, and Vg and Vgb are The voltages applied to the front gate electrode and the rear gate electrode, and Vth and Vthb indicate the threshold values of the front channel MOSFET and the rear channel MOSFET, respectively.

【0034】上記式(1)および式(2)から、裏面ゲ
ート電極への印加電圧の変化量ΔVgbに対する表面チャ
ネルMOSFETのしきい値の変化量ΔVthは次式
(3)により、表面ゲート電極への印加電圧の変化量Δ
Vg に対する裏面チャネルMOSFETのしきい値の変
化量ΔVthb は次式(4)により、それぞれ表される。
From the above equations (1) and (2), the variation ΔVth of the threshold value of the surface channel MOSFET with respect to the variation ΔVgb of the voltage applied to the back gate electrode is expressed by the following equation (3). Of applied voltage Δ
The change amount ΔVthb of the threshold value of the back channel MOSFET with respect to Vg is expressed by the following equation (4).

【0035】[0035]

【数3】 (Equation 3)

【数4】 (Equation 4)

【0036】式(4)におけるしきい値の変化率は、式
(3)におけるしきい値の変化率において表面ゲート絶
縁膜厚Toxと裏面ゲート絶縁膜厚Toxb を入れ替えるこ
とにより得られる。したがって、対称型の論理素子は、
両ゲート絶縁膜厚を同じとすることにより実現できる。
The rate of change of the threshold value in equation (4) can be obtained by replacing the front gate insulating film thickness Tox and the back gate insulating film thickness Toxb in the threshold value change equation in equation (3). Therefore, a symmetric logic element is
This can be realized by making both gate insulating film thicknesses the same.

【0037】これに対し、たとえば論理積(AND)を
演算するための論理素子は、両ゲート絶縁膜厚が同じで
は実現できない。
On the other hand, for example, a logic element for calculating a logical product (AND) cannot be realized when both gate insulating film thicknesses are the same.

【0038】非対称型の論理素子を用いてANDゲート
の機能を実現するには、一方のMOSFETのゲート電
極に印加される入力信号の電圧値がチャネルをオフする
レベルならば、他方のMOSFETのチャネルをオン、
オフするための入力信号の電圧値にかかわらず、常にチ
ャネルが形成されないことが必要である。したがって、
他方のMOSFETのゲート印加電圧に対する一方のM
OSFETのしきい値の変化量を、一方のMOSFET
のゲート印加電圧に対する他方のMOSFETのしきい
値の変化量より充分に大きくする必要がある。その結
果、しきい値の変化量を大きくしたい他方のMOSFE
Tのゲート絶縁膜厚をより大きく設定することが要件と
なる。図2に示す構造のデュアルゲートMOSFET1
では、基板張り合わせ時の加熱の影響で薄膜化が困難な
埋め込みゲート側の裏面ゲート絶縁膜3をより厚く設定
し、Toxb >Toxとしている。
In order to realize the function of the AND gate using an asymmetrical logic element, if the voltage value of the input signal applied to the gate electrode of one MOSFET is at a level that turns off the channel, the channel of the other MOSFET is turned off. On,
It is necessary that a channel is not always formed regardless of the voltage value of the input signal for turning off. Therefore,
One M for the gate applied voltage of the other MOSFET
The amount of change in the threshold value of the OSFET is
Needs to be sufficiently larger than the change amount of the threshold voltage of the other MOSFET with respect to the gate applied voltage. As a result, the other MOSFE for which the amount of change in the threshold
It is necessary to set the gate insulating film thickness of T to be larger. Dual gate MOSFET 1 having the structure shown in FIG.
In this example, the thickness of the back gate insulating film 3 on the buried gate side, which is difficult to be reduced in thickness due to the influence of heating at the time of bonding the substrates, is set to be thicker, so that Toxb> Tox.

【0039】いま、入力信号のハイレベルを電源電圧V
DD、ローレベルを接地電位0Vとしたときに、裏面チャ
ネルMOSFETのしきい値の条件は次式(5-1) および
(5-2) で表される。また、表面チャネルMOSFETの
しきい値の条件は次式(5−3)で表される。
Now, the high level of the input signal is changed to the power supply voltage V
When DD and the low level are set to the ground potential of 0 V, the threshold condition of the backside channel MOSFET is expressed by the following equation (5-1) and
(5-2). The condition of the threshold value of the surface channel MOSFET is expressed by the following equation (5-3).

【0040】[0040]

【数5】 (Equation 5)

【0041】ここで、suffix“ 0 ”は対向するゲート
の印加電圧が0Vであることを示す。なお、上記式(5-
2) は、電流駆動能力とオフリーク電流の観点から、裏
面チャネルMOSFETの動作時のしきい値の最適な範
囲を規定したものである。
Here, the suffix "0" indicates that the voltage applied to the opposing gate is 0V. The above formula (5-
2) specifies the optimum range of the threshold value during the operation of the backside channel MOSFET from the viewpoint of the current driving capability and the off-leak current.

【0042】以下、具体的にシリコン活性層厚Tsiが2
5nm、表面ゲート絶縁膜厚Toxが5nmとしたとき
の、裏面ゲート絶縁膜厚Toxb および表面チャネルMO
SFETの初期しきい値の最適範囲を求める。いま、裏
面チャネルMOSFETのしきい値変化率を0.7〜
0.8Vとし、前述の式(4)における変化率から裏面
ゲート絶縁膜厚Toxb を求めると、次式(6)の如くな
る。
Hereinafter, specifically, when the silicon active layer thickness Tsi is 2
Back gate insulating film thickness Toxb and surface channel MO when 5 nm and front gate insulating film thickness Tox are 5 nm
An optimum range of the initial threshold value of the SFET is obtained. Now, the threshold change rate of the backside channel MOSFET is 0.7 to
When the back gate insulating film thickness Toxb is determined from the rate of change in the above equation (4) and 0.8 V, the following equation (6) is obtained.

【0043】[0043]

【数6】 (Equation 6)

【0044】このToxb の値を前述の式(3)における
変化率に代入すると、表面チャネルMOSFETのしき
い値変化率の範囲が次式(7)の如く求まる。
By substituting the value of Toxb for the rate of change in the above equation (3), the range of the rate of change of the threshold value of the surface channel MOSFET is obtained as in the following equation (7).

【0045】[0045]

【数7】 Tox/(0.333×Tsi+Toxb ) =5/(8.325+10.7)〜5/(8.325+9.3) =0.26〜0.28 …(7)Tox / (0.333 × Tsi + Toxb) = 5 / (8.325 + 10.7) to 5 / (8.325 + 9.3) = 0.26 to 0.28 (7)

【0046】前記した式(5-2) および式(5-3) を用いる
と、表面チャネルMOSFETのしきい値Vthについて
関係式が得られ、これを初期しきい値Vth0 についてま
とめると次式(8)が求まる。
Using the above equations (5-2) and (5-3), a relational expression is obtained with respect to the threshold value Vth of the surface channel MOSFET. 8) is obtained.

【0047】[0047]

【数8】 Vth=Vth0 −(0.26〜0.28)×(0.2〜0.3)×VDD>VDD =Vth0 −(0.052〜0.084)×VDD>VDD Vth0 >(1.06〜1.09)×VDD …(8)Vth = Vth0− (0.26 to 0.28) × (0.2 to 0.3) × V DD > V DD = Vth0− (0.052 to 0.084) × V DD > V DD Vth0> (1.06-1.09) × V DD (8)

【0048】表1に、対称型および非対称型の論理素子
についてゲート絶縁膜厚とシリコン活性層厚とをまとめ
て示す。また、チャネルが形成されるシリコン活性層の
不純物濃度はpチャネル型、nチャネル型ともに5×1
14/cm3 であり、ゲート電極材料はドープド・ポリ
シリコンまたはドープド・メタルシリサイドとした。ゲ
ート電極材料および不純物添加によるフェルミレベルの
シフト量を次表2にまとめて示す。
Table 1 summarizes the gate insulating film thickness and the silicon active layer thickness for symmetric and asymmetric logic elements. The impurity concentration of the silicon active layer where the channel is formed is 5 × 1 for both the p-channel type and the n-channel type.
0 14 / cm 3 , and the gate electrode material was doped polysilicon or doped metal silicide. The following Table 2 summarizes the shift amount of the Fermi level due to the gate electrode material and the impurity addition.

【0049】[0049]

【表1】 [Table 1]

【表2】 [Table 2]

【0050】電源電圧VDDを1Vとした場合、このよう
な条件下で作製された対称型の論理素子(デュアルゲー
トMOSFET)のしきい値を次表3に、非対称型の論
理素子のしきい値を次表4にまとめて示す。
When the power supply voltage V DD is 1 V, the threshold value of the symmetrical logic element (dual gate MOSFET) manufactured under such conditions is shown in Table 3 below. The values are summarized in Table 4 below.

【0051】[0051]

【表3】 [Table 3]

【表4】 [Table 4]

【0052】表3に示す対称型の論理素子の論理動作
を、NMOSFETを例として説明すると、たとえば、
入力信号のローレベルを接地電位0V、ハイレベルを
0.18Vとすると、2つの入力信号がともにローレベ
ルのときは表面および裏面チャネルはともにオフする。
また、何れか一方の入力信号がローレベル、他方がハイ
レベルのときは、ゲートにローレベルが印加された方の
チャネルのみオンする。さらに、両入力信号がともにハ
イレベルの場合は、表面チャネルのみオンする。したが
って、両入力信号がともにローレベルのときのみ非導
通、片方でもハイレベルをとると導通となり、これによ
りORゲートが実現できる。この場合、たとえば表3の
NMOSFETでは、初期しきい値Vth0 と動作時のV
thは50mV異なり、オフリーク電流が0.5桁以上低
減される。
The logical operation of the symmetrical logic element shown in Table 3 will be described using an NMOSFET as an example.
Assuming that the low level of the input signal is ground potential 0V and the high level is 0.18V, when both input signals are low level, both the front and back channels are turned off.
When one of the input signals is at the low level and the other is at the high level, only the channel to which the low level is applied to the gate is turned on. Further, when both input signals are at the high level, only the surface channel is turned on. Therefore, only when both input signals are at the low level, non-conduction is achieved, and when at least one of the input signals is at the high level, conduction is achieved, thereby realizing an OR gate. In this case, for example, in the NMOSFET of Table 3, the initial threshold value Vth0 and the operating V
th differs by 50 mV, and the off-leak current is reduced by 0.5 digit or more.

【0053】一方、表4に示す非対称型の論理素子で
は、たとえばNMOSFETの場合、入力信号のローレ
ベルを接地電位0V、ハイレベルを電源電圧VDD(1
V)とすると、2つの入力信号がともにローレベルのと
きは表面および裏面チャネルはともにオフし、ともにハ
イレベルのときは両チャネルがともにオンする。また、
何れか一方の入力信号がローレベル、他方がハイレベル
のときは、両チャネルともオフのままとなる。したがっ
て、両入力信号がともにハイレベルのときのみ導通し、
片方でもローレベルをとると非導通となり、これにより
ANDゲートが実現できる。この場合、初期しきい値V
th0 ,Vthb0が大きくとれるので、オフリーク電流が7
桁以上の大幅に低減される。
On the other hand, in the asymmetric logic element shown in Table 4, in the case of an NMOSFET, for example, the low level of the input signal is set to the ground potential 0 V, and the high level is set to the power supply voltage V DD (1
V), when both input signals are at a low level, both the front and back channels are turned off, and when both are at a high level, both channels are turned on. Also,
When one of the input signals is at a low level and the other is at a high level, both channels remain off. Therefore, only when both input signals are at a high level,
If at least one of them takes a low level, it becomes non-conductive, whereby an AND gate can be realized. In this case, the initial threshold V
Since th0 and Vthb0 can be made large, the off-leakage current becomes 7
Significantly reduced by more than an order of magnitude.

【0054】図11(A)の回路記号で示すNORゲー
ト回路は、従来では図11(B)に示すように、2つの
PMOSトランジスタMp1,Mp2と、2つのNMO
SトランジスタMn1,Mn2とから構成されていた。
つまり、所定のバイアス電圧+VBの供給線にPMOS
トランジスタMp1およびMp2が互いに直列接続さ
れ、PMOSトランジスタMp2と接地電位との間に、
NMOSトランジスタMn1,Mn2が互いに並列に接
続されている。PMOSトランジスタMp1とNMOS
トランジスタMn1のゲートが共通接続されて第1入力
端子をなし、PMOSトランジスタMp2とNMOSト
ランジスタMn2のゲートが共通接続されて第2入力端
子をなす。PMOSトランジスタMp2のドレインから
出力が取り出されている。
The NOR gate circuit shown by the circuit symbol in FIG. 11A conventionally has two PMOS transistors Mp1 and Mp2 and two NMOs as shown in FIG. 11B.
It consisted of S transistors Mn1 and Mn2.
In other words, the PMOS is connected to the predetermined bias voltage + VB supply line.
Transistors Mp1 and Mp2 are connected in series with each other, and between PMOS transistor Mp2 and ground potential,
NMOS transistors Mn1 and Mn2 are connected in parallel with each other. PMOS transistor Mp1 and NMOS
The gates of the transistors Mn1 are commonly connected to form a first input terminal, and the gates of the PMOS transistor Mp2 and the NMOS transistor Mn2 are commonly connected to form a second input terminal. An output is taken from the drain of the PMOS transistor Mp2.

【0055】本実施形態では、同じ機能の回路を、デュ
アルゲートPMOSトランジスタPMOS4(図1
(D))とデュアルゲートNMOSトランジスタNMO
S1(図1(A))の2素子から構成している。つま
り、所定のバイアス電圧+VBの供給線と接地電位との
間に、非対称型のデュアルゲートPMOSトランジスタ
PMOS4と対称型のデュアルゲートNMOSトランジ
スタNMOS1が直列接続され、たとえば、表面ゲート
電極同士を共通接続して第1入力端子とし、裏面ゲート
電極同士を共通接続して第2入力端子としている。出力
は、デュアルゲートMOSトランジスタの接続中点から
得ている。
In this embodiment, a circuit having the same function is provided by a dual-gate PMOS transistor PMOS4 (FIG. 1).
(D)) and a dual gate NMOS transistor NMO
It is composed of two elements S1 (FIG. 1A). That is, an asymmetric dual-gate PMOS transistor PMOS4 and a symmetric dual-gate NMOS transistor NMOS1 are connected in series between a predetermined bias voltage + VB supply line and the ground potential. For example, the surface gate electrodes are commonly connected. To form a first input terminal, and the back gate electrodes are commonly connected to form a second input terminal. The output is obtained from the connection point of the dual gate MOS transistor.

【0056】図12(A)の回路記号で示すNANDゲ
ート回路は、従来では図12(B)に示すように、2つ
のPMOSトランジスタMp1,Mp2と、2つのNM
OSトランジスタMn1,Mn2とから構成されてい
た。つまり、接地電位線にNMOSトランジスタMn2
およびMn1が互いに直列接続され、NMOSトランジ
スタMn1と所定のバイアス電圧+VBの供給線との間
に、PMOSトランジスタMp1,Mp2が互いに並列
に接続されている。PMOSトランジスタMp1とNM
OSトランジスタMn1のゲートが共通接続されて第1
入力端子をなし、PMOSトランジスタMp2とNMO
SトランジスタMn2のゲートが共通接続されて第2入
力端子をなす。NMOSトランジスタMn1のドレイン
から出力が取り出されている。
A NAND gate circuit shown by a circuit symbol in FIG. 12A conventionally has two PMOS transistors Mp1 and Mp2 and two NMs as shown in FIG.
OS transistors Mn1 and Mn2. That is, the NMOS transistor Mn2 is connected to the ground potential line.
And Mn1 are connected in series with each other, and PMOS transistors Mp1 and Mp2 are connected in parallel with each other between the NMOS transistor Mn1 and a supply line of a predetermined bias voltage + VB. PMOS transistors Mp1 and NM
The gates of the OS transistors Mn1 are connected in common and the first
No input terminal, PMOS transistor Mp2 and NMO
The gates of the S transistors Mn2 are commonly connected to form a second input terminal. An output is taken from the drain of the NMOS transistor Mn1.

【0057】本実施形態では、同じ機能の回路を、デュ
アルゲートPMOSトランジスタPMOS2(図1
(B))とデュアルゲートNMOSトランジスタNMO
S3(図1(C))の2素子から構成している。つま
り、所定のバイアス電圧+VBの供給線と接地電位との
間に、対称型のデュアルゲートPMOSトランジスタP
MOS2と非対称型のデュアルゲートNMOSトランジ
スタNMOS3が直列接続され、たとえば、表面ゲート
電極同士を共通接続して第1入力端子とし、裏面ゲート
電極同士を共通接続して第2入力端子としている。出力
は、デュアルゲートMOSトランジスタの接続中点から
得ている。
In this embodiment, a circuit having the same function is provided by a dual gate PMOS transistor PMOS2 (FIG. 1).
(B)) and dual gate NMOS transistor NMO
It is composed of two elements S3 (FIG. 1C). That is, a symmetrical dual-gate PMOS transistor P is connected between a predetermined bias voltage + VB supply line and the ground potential.
MOS2 and an asymmetric dual-gate NMOS transistor NMOS3 are connected in series. For example, front gate electrodes are commonly connected to form a first input terminal, and back gate electrodes are commonly connected to form a second input terminal. The output is obtained from the connection point of the dual gate MOS transistor.

【0058】このような構成の論理回路は、たとえばX
ORゲートのほか、多入力論理ゲートであってもよい。
入力数が偶数の場合は、従来に比べ素子数が半減する。
また、入力数が奇数の場合は、従来に比べ素子数が(半
数+1)に低減される。何れの場合においても、裏面ゲ
ート電極を埋め込みタイプとすることで回路専有面積を
従来に比べほぼ半減できる。このような利点によって、
従来の回路設計技術に変更を加えることなく、論理回路
を構成する素子数の削減ができ、高集積化が可能とな
る。また、可変しきい値特性により、付加回路を加える
ことなくオフリーク電流の低減ができる。
The logic circuit having such a configuration is, for example, X
In addition to the OR gate, a multi-input logic gate may be used.
When the number of inputs is even, the number of elements is halved compared to the conventional case.
When the number of inputs is odd, the number of elements is reduced to (half + 1) as compared with the conventional case. In any case, by burying the back gate electrode, the circuit occupation area can be reduced by almost half compared to the conventional case. With these advantages,
Without changing the conventional circuit design technology, the number of elements constituting the logic circuit can be reduced, and high integration can be achieved. Further, the off-leakage current can be reduced without adding an additional circuit due to the variable threshold characteristics.

【0059】[0059]

【発明の効果】本発明に係る半導体論理素子および論理
回路によれば、従来2素子で構成されていたORゲート
或いはANDゲート等の基本論理ゲートを、単一の可変
しきい値素子で置き換えることができ、それだけ素子数
が低減される。また、回路専有面積も大幅に削減され、
論理回路の集積度向上が容易に達成される。各トランジ
スタの電流駆動能力が向上し、オフリーク電流が低減さ
れることから、回路特性自体も向上する。
According to the semiconductor logic device and the logic circuit of the present invention, a basic logic gate such as an OR gate or an AND gate, which has conventionally been constituted by two devices, is replaced by a single variable threshold device. And the number of elements is reduced accordingly. In addition, the circuit occupied area has been greatly reduced,
The integration degree of the logic circuit can be easily improved. Since the current driving capability of each transistor is improved and the off-leak current is reduced, the circuit characteristics themselves are also improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態に係る半導体論理素子の回路
記号を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit symbol of a semiconductor logic element according to an embodiment of the present invention.

【図2】非対称型の論理素子を例として、本実施形態に
係る半導体論理素子の構造を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor logic element according to the embodiment, taking an asymmetric logic element as an example.

【図3】半導体論理素子の製造において、被研磨基板の
凸部形成後を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state after a convex portion of a substrate to be polished is formed in the manufacture of the semiconductor logic element.

【図4】図3に続く、裏面ゲート絶縁膜の形成後を示す
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view subsequent to FIG. 3, showing a state after a back gate insulating film is formed.

【図5】図4に続く、裏面ゲート電極の形成後を示す断
面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state after the formation of the back surface gate electrode, following FIG. 4;

【図6】図5に続く、接着層の平坦化後を示す断面図で
ある。
FIG. 6 is a cross-sectional view subsequent to FIG. 5, illustrating a state after the adhesive layer is flattened.

【図7】図6に続く、基板張り合わせ後を示す断面図で
ある。
FIG. 7 is a cross-sectional view following FIG.

【図8】図7に続く、被研磨基板の研磨後を示す断面図
である。
FIG. 8 is a cross-sectional view subsequent to FIG. 7, illustrating a state after polishing of the substrate to be polished;

【図9】図8に続く、表面ゲート電極の形成後を示す断
面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state after the formation of the surface gate electrode, following FIG. 8;

【図10】本発明が適用可能な他の構造例を示す、裏面
ゲートをいわゆるバルク型とした半導体素子の断面図で
ある。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a semiconductor element having a so-called bulk type back gate, showing another structural example to which the present invention can be applied.

【図11】本発明のNORゲート回路の記号および構成
を、従来回路の構成とともに示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a symbol and a configuration of a NOR gate circuit of the present invention together with a configuration of a conventional circuit.

【図12】本発明のNANDゲート回路の記号および構
成を、従来回路の構成とともに示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a symbol and a configuration of a NAND gate circuit of the present invention together with a configuration of a conventional circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…デュアルゲートMOSトランジスタ(半導体論理素
子)、2…被研磨基板、3…裏面ゲート絶縁膜、4…シ
リコン活性層(半導体活性層)、4a,31a…ソース
不純物領域、4b,31b…ドレイン不純物領域、5…
裏面ゲート電極、6…表面ゲート絶縁膜、7…表面ゲー
ト電極、10…被研磨基板、10a…凸部、11…接着
層、20…支持基板、30…半導体基板、31…ウエ
ル、32…電極、NMOS1,PMOS2…対称型の論
理素子、NMOS3,PMOS4…非対称型の論理素
子、R1…レジストパターン。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dual gate MOS transistor (semiconductor logic element), 2 ... Substrate to be polished, 3 ... Back gate insulating film, 4 ... Silicon active layer (semiconductor active layer), 4a, 31a ... Source impurity region, 4b, 31b ... Drain impurity Area, 5 ...
Back gate electrode, 6 front gate insulating film, 7 front gate electrode, 10 polished substrate, 10a convex portion, 11 adhesive layer, 20 support substrate, 30 semiconductor substrate, 31 well, 32 electrode .., NMOS1, PMOS2... Symmetrical logic elements, NMOS3, PMOS4... Asymmetrical logic elements, R1.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F110 AA04 AA06 AA08 AA18 BB04 CC02 DD13 EE05 EE09 EE22 EE28 EE30 FF02 FF04 FF23 GG02 GG12 NN04 NN23 QQ12 QQ17 QQ19 QQ30 5J042 AA10 BA19 CA09 CA22 CA23 DA01 DA06 5J056 AA03 BB49 BB52 BB57 CC00 DD13 DD28 EE11 FF09 GG14 KK02  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page F term (reference) 5F110 AA04 AA06 AA08 AA18 BB04 CC02 DD13 EE05 EE09 EE22 EE28 EE30 FF02 FF04 FF23 GG02 GG12 NN04 NN23 QQ12 QQ17 QQ19 QQ30 5J042 AA10 BA19 CA01 CA05 CB02 DD13 DD28 EE11 FF09 GG14 KK02

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板に支持された半導体層と、当該半導体
層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子であって、 第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしきい値お
よび第2入力信号が印加される上記第2ゲートのしきい
値は、第1および第2入力信号の少なくとも一方がハイ
レベルのときに当該半導体論理素子が導通し双方の入力
信号がローレベルのときに当該半導体論理素子が非導通
となるように、設定されている半導体論理素子。
A semiconductor layer supported on a substrate, a source and a drain formed in the semiconductor layer so as to be separated from each other, and a semiconductor layer portion located between the source and the drain on both sides in a thickness direction. A semiconductor logic element having first and second gates formed through an insulating film and facing each other, wherein a threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and a second input signal are applied. The threshold value of the second gate is such that when at least one of the first and second input signals is at a high level, the semiconductor logic element is turned on and when both input signals are at a low level, the semiconductor logic element is turned on. A semiconductor logic element that is set to be non-conductive.
【請求項2】上記第1または第2ゲートの一方のしきい
値は、他方のゲートに入力される信号がローレベルをと
るときに電源電圧の1/3以下となるように、設定され
ている請求項1に記載の半導体論理素子。
2. A threshold value of one of the first and second gates is set so that when a signal inputted to the other gate takes a low level, the threshold value is one third or less of a power supply voltage. The semiconductor logic device according to claim 1.
【請求項3】基板に支持された半導体層と、当該半導体
層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子であって、 第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしきい値お
よび第2入力信号が印加される上記第2ゲートのしきい
値は、第1および第2入力信号の双方がハイレベルのと
きに当該半導体論理素子が導通し少なくとも一方の入力
信号がローレベルのときに当該半導体論理素子が非導通
となるように、設定されている半導体論理素子。
3. A semiconductor layer supported by a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and a semiconductor layer portion located between the source and the drain on both sides in the thickness direction. A semiconductor logic element having first and second gates formed through an insulating film and facing each other, wherein a threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and a second input signal are applied. The threshold value of the second gate is such that when both the first and second input signals are at a high level, the semiconductor logic element is turned on and when at least one input signal is at a low level, the semiconductor logic element is turned on. A semiconductor logic element that is set to be non-conductive.
【請求項4】上記第2ゲートの電位が当該第2ゲートの
しきい値以下のときに、上記第1ゲートのしきい値は第
1入力信号のハイレベルより高く、 上記第2ゲートの電位が第2入力信号のハイレベルのと
きに、上記第1ゲートのしきい値は第1入力信号のロー
レベルより高く、 上記第1ゲートの電位が第1入力信号のローレベルのと
きに、上記第2ゲートのしきい値は第2入力信号のハイ
レベルより高く、 上記第1ゲートの電位が第1入力信号のハイレベルのと
きに、上記第2ゲートのしきい値は電源電圧の1/3以
下である請求項3記載の半導体論理素子。
4. When the potential of the second gate is equal to or lower than the threshold value of the second gate, the threshold value of the first gate is higher than the high level of the first input signal. Is higher than the second input signal, the threshold value of the first gate is higher than the low level of the first input signal, and when the potential of the first gate is the low level of the first input signal, The threshold value of the second gate is higher than the high level of the second input signal. When the potential of the first gate is at the high level of the first input signal, the threshold value of the second gate is 1 / the power supply voltage. 4. The semiconductor logic device according to claim 3, wherein the number is 3 or less.
【請求項5】基板に支持された半導体層と、当該半導体
層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子であって、 第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしきい値お
よび第2入力信号が印加される上記第2ゲートのしきい
値は、第1および第2入力信号の少なくとも一方がロー
レベルのときに当該半導体論理素子が導通し双方の入力
信号がハイレベルのときに当該半導体論理素子が非導通
となるように、設定されている半導体論理素子。
5. A semiconductor layer supported by a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and a surface on both sides in a thickness direction of a semiconductor layer portion located between the source and the drain. A semiconductor logic element having first and second gates formed through an insulating film and facing each other, wherein a threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and a second input signal are applied. The threshold value of the second gate is such that when at least one of the first and second input signals is at a low level, the semiconductor logic element is turned on and when both input signals are at a high level, the semiconductor logic element is turned on. A semiconductor logic element that is set to be non-conductive.
【請求項6】上記第1または第2ゲートの一方のしきい
値は、他方のゲートに入力される信号がハイレベルをと
るときに電源電圧の1/3以下となるように、設定され
ている請求項5に記載の半導体論理素子。
6. A threshold value of one of the first and second gates is set so that when a signal input to the other gate takes a high level, the threshold value is one third or less of a power supply voltage. The semiconductor logic device according to claim 5.
【請求項7】基板に支持された半導体層と、当該半導体
層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子であって、 第1入力信号が印加される上記第1ゲートのしきい値お
よび第2入力信号が印加される上記第2ゲートのしきい
値は、第1および第2入力信号の双方がローレベルのと
きに当該半導体論理素子が導通し少なくとも一方の入力
信号がハイレベルのときに当該半導体論理素子が非導通
となるように、設定されている半導体論理素子。
7. A semiconductor layer supported by a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and a surface on both sides in a thickness direction of a semiconductor layer portion located between the source and the drain. A semiconductor logic element having first and second gates formed through an insulating film and facing each other, wherein a threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and a second input signal are applied. The threshold value of the second gate is such that when both the first and second input signals are at a low level, the semiconductor logic element is turned on and when at least one input signal is at a high level, the semiconductor logic element is turned on. A semiconductor logic element that is set to be non-conductive.
【請求項8】上記第2ゲートの電位が当該第2ゲートの
しきい値以上のときに、上記第1ゲートのしきい値は第
1入力信号のローレベルより低く、 上記第2ゲートの電位が第2入力信号のローレベルのと
きに、上記第1ゲートのしきい値は第1入力信号のハイ
レベルより低く、 上記第1ゲートの電位が第1入力信号のハイレベルのと
きに、上記第2ゲートのしきい値は第2入力信号のロー
レベルより低く、 上記第1ゲートの電位が第1入力信号のローレベルのと
きに、上記第2ゲートのしきい値は電源電圧の1/3よ
り高い請求項7記載の半導体論理素子。
8. When the potential of the second gate is equal to or higher than the threshold value of the second gate, the threshold value of the first gate is lower than the low level of the first input signal. When the second input signal is low level, the threshold value of the first gate is lower than the high level of the first input signal. When the potential of the first gate is high level of the first input signal, The threshold value of the second gate is lower than the low level of the second input signal. When the potential of the first gate is at the low level of the first input signal, the threshold value of the second gate is 1 / the power supply voltage. 8. The semiconductor logic device according to claim 7, which is higher than 3.
【請求項9】基板に支持された半導体層と、当該半導体
層内に互いに離れて形成されたソースおよびドレイン
と、当該ソースおよびドレイン間に位置する半導体層部
分の厚さ方向の両側の面にそれぞれ絶縁膜を介して形成
され互いに対向する第1および第2ゲートとを有する半
導体論理素子を有し、 上記半導体論理素子の上記第1および第2ゲートがそれ
ぞれ信号入力端子に接続されている論理回路。
9. A semiconductor layer supported by a substrate, a source and a drain formed apart from each other in the semiconductor layer, and a surface on both sides in a thickness direction of a semiconductor layer portion located between the source and the drain. A logic circuit comprising a semiconductor logic element having first and second gates respectively formed with an insulating film interposed therebetween, wherein the first and second gates of the semiconductor logic element are respectively connected to signal input terminals circuit.
【請求項10】第1入力信号が印加される上記第1ゲー
トのしきい値および第2入力信号が印加される上記第2
ゲートのしきい値は、第1および第2入力信号の少なく
とも一方がハイレベルのときに当該半導体論理素子が導
通し双方の入力信号がローレベルのときに当該半導体論
理素子が非導通となるように、設定されている請求項9
に記載の論理回路。
10. The threshold of said first gate to which a first input signal is applied and said second gate to which a second input signal is applied.
The threshold value of the gate is such that the semiconductor logic element is conductive when at least one of the first and second input signals is at a high level, and the semiconductor logic element is non-conductive when both input signals are at a low level. Claim 9 which is set to
The logic circuit according to the above.
【請求項11】第1入力信号が印加される上記第1ゲー
トのしきい値および第2入力信号が印加される上記第2
ゲートのしきい値は、第1および第2入力信号の双方が
ハイレベルのときに当該半導体論理素子が導通し少なく
とも一方の入力信号がローレベルのときに当該半導体論
理素子が非導通となるように、設定されている請求項9
に記載の論理回路。
11. The threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and the second threshold voltage to which a second input signal is applied.
The threshold value of the gate is such that the semiconductor logic element becomes conductive when both the first and second input signals are at a high level, and becomes non-conductive when at least one of the input signals is at a low level. Claim 9 which is set to
The logic circuit according to the above.
【請求項12】第1入力信号が印加される上記第1ゲー
トのしきい値および第2入力信号が印加される上記第2
ゲートのしきい値は、第1および第2入力信号の少なく
とも一方がローレベルのときに当該半導体論理素子が導
通し双方の入力信号がハイレベルのときに当該半導体論
理素子が非導通となるように、設定されている請求項9
に記載の論理回路。
12. The threshold of said first gate to which a first input signal is applied and said second threshold to which a second input signal is applied.
The threshold value of the gate is such that when at least one of the first and second input signals is at a low level, the semiconductor logic element becomes conductive, and when both input signals are at a high level, the semiconductor logic element becomes non-conductive. Claim 9 which is set to
The logic circuit according to the above.
【請求項13】第1入力信号が印加される上記第1ゲー
トのしきい値および第2入力信号が印加される上記第2
ゲートのしきい値は、第1および第2入力信号の双方が
ローレベルのときに当該半導体論理素子が導通し少なく
とも一方の入力信号がハイレベルのときに当該半導体論
理素子が非導通となるように、設定されている請求項9
に記載の論理回路。
13. The threshold value of the first gate to which a first input signal is applied and the second threshold voltage to which a second input signal is applied.
The threshold value of the gate is such that the semiconductor logic element becomes conductive when both the first and second input signals are at a low level, and becomes non-conductive when at least one input signal is at a high level. Claim 9
The logic circuit according to the above.
【請求項14】上記半導体論理素子は、単独で論理和の
演算回路を構成する請求項9に記載の論理回路。
14. The logic circuit according to claim 9, wherein said semiconductor logic element independently constitutes an OR operation circuit.
【請求項15】上記半導体論理素子は、単独で論理積の
演算回路を構成する請求項9に記載の論理回路。
15. The logic circuit according to claim 9, wherein said semiconductor logic element independently constitutes an AND operation circuit.
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